柔軟な発光団に基づく高輝度張力プローブの開発と分子解像度の応力解析への展開

基于柔性发光体的高亮度张力探针的研制及其在分子分辨率应力分析中的应用

• 批准号: 19J22034
• 负责人: 山角 拓也
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-25 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J22034/
• 关键词: 蛍光分子; 張力プローブ; ゲル; メカノフォア; 高分子; ポリウレタン; レオロジー; 可視化技術; 二重蛍光; ピレン; 光機能分子

当研究室では、光照射により励起状態でV字型から平面型へとコンフォーメーション変化を起こす「羽ばたく光機能分子FLAP」についての研究に取り組んでいる。その中でも私は、FLAPが力に応じてV字型から平面型へ構造変化して青色から緑色へ蛍光色変化を示す特徴を利用し、青と緑の2色の蛍光強度比を利用したレシオ解析により高分子材料にかかるナノ応力集中を定量するForceプローブを開発している。特に私は、アントラセン骨格をもつ従来型FLAPが溶媒存在下では力学負荷のない状態でも自発的に平面化してしまうため湿潤環境では利用できないという問題点に一貫して挑戦してきた。前年度までに私は、ピレン骨格をもつFLAP分子を設計・合成し、このFLAP分子が溶媒を含む高分子ゲル中でも力学応答をわずかに示すことを予備的に確認していた。当該年度では、ゲルの作製・測定方法を改善することで、より力学応答を明確に観測することが可能となった。具体的には、ゲルが容易に破断する引張試験ではなく比較的強い力を加えることが可能な圧縮試験を採用し、FLAPを導入する高分子材料として採用した架橋ポリウレタンの合成条件や膨潤させる有機溶媒の選択に関して充分な検討を行なった。その結果、圧縮と除荷に対してFLAPを導入した高分子ゲルは迅速かつ可逆に明確な蛍光応答を示し、その応力分布はピクセル毎に蛍光スペクトルが取得できるカメラによって、0-1 MPaの小さな応力範囲で蛍光レシオイメージングができることを実証した。以上のように私は、有機溶媒で膨潤した高分子ゲルを圧縮した際に生じるナノ応力集中をピレン型FLAPを用いて可逆的に可視化した。近年、高分子ゲルの力学的な脆弱性を克服すべく様々な強靭化戦略が取られているが、本研究で開発したForceプローブはそれらの強靭化メカニズムを分子レベルで解明する新たな手法として期待できる。

在我们的实验室中，我们正在研究“扑动光功能分子FLAP”，当光照射时，该分子在激发状态下会发生从V形到平面形的构象变化。其中，我开发了一种利用蓝色和绿色两种颜色的荧光强度比的比率，利用FLAP的特性，根据力将其结构从V形变为平面形状，并改变其荧光颜色从蓝色到绿色，我们正在开发一种力探针，通过分析来量化施加到聚合物材料上的纳米应力集中。特别是，我一直在解决这样的问题：具有蒽骨架的传统 FLAP 即使在没有机械负载的情况下，在溶剂存在下也会自发变平，从而使其无法在潮湿环境中使用。直到前一年，我设计并合成了具有芘骨架的FLAP分子，并初步证实了这种FLAP分子即使在含有溶剂的聚合物凝胶中也表现出轻微的机械响应。今年，通过改进凝胶制备和测量方法，可以更清晰地观察机械响应。具体来说，我们采用了可以施加相对较强的力的压缩试验，而不是凝胶容易破裂的拉伸试验，对溶剂的选择进行了充分的考虑。因此，掺入 FLAP 的聚合物凝胶对压缩和卸载表现出快速且可逆的清晰荧光响应，并且可以通过能够获取每个像素荧光光谱的相机来确定应力分布，并且可以将应力分布测量为我们证明了可以在应力范围内进行荧光比成像。如上所述，我使用芘型 FLAP 可逆地可视化用有机溶剂溶胀的聚合物凝胶被压缩时发生的纳米应力集中。近年来，人们采取了各种增韧策略来克服聚合物凝胶的机械脆性，而本研究开发的力探针是一种在分子水平上阐明增韧机制的新方法，值得期待。

项目成果

Ratiometric fluorescent force probe that works in gels

适用于凝胶的比例荧光力探针

• 发表时间: 2021
• 作者: 山角拓也;齊藤尚平
• 通讯作者: 齊藤尚平

Ratiometric fluorescent force probe that works in gels

适用于凝胶的比例荧光力探针

• 发表时间: 2021
• 作者: 山角拓也;齊藤尚平
• 通讯作者: 齊藤尚平

Ratiomenric Fluorescent Force Probe That Works in Organogels

适用于有机凝胶的比率荧光力探针

• 发表时间: 2022
• 作者: Yamakado Takuya;Saito Shohei
• 通讯作者: Saito Shohei

Compression of a Flapping Mechanophore Accompanied by Thermal Void Collapse in a Crystalline Phase.

晶相中伴随着热空穴塌陷的扑动力力团的压缩。

• DOI: 10.1021/jacs.8b03833
• 发表时间: 2018-05-10
• 期刊: Journal of the American Chemical Society
• 影响因子: 15
• 作者: T. Yamakado;K. Otsubo;A. Osuka;Shohei Saito
• 通讯作者: Shohei Saito

高分子ゲルの局所応力解析に向けたピレン型蛍光メカノフォアの開発

开发用于聚合物凝胶局部应力分析的芘型荧光机械载体

• 发表时间: 2020
• 作者: 山角拓也;齊藤尚平
• 通讯作者: 齊藤尚平